CN107004775B - 具有使用增强导引模态耦合的改善的光提取的有机发光二极管 - Google Patents

具有使用增强导引模态耦合的改善的光提取的有机发光二极管 Download PDF

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Abstract

公开一种具有增强的光提取的有机发光二极管(OLED)器件。OLED器件包括：上部波导结构，所述上部波导结构具有有机层并且支持第一导引模态；以及下部波导结构，下部波导结构具有光提取波导，光提取波导支持第二导引模态，第二导引模态实质上匹配于第一导引模态。下部波导结构包括光提取波导，光提取波导介接光提取基质。光提取波导包括一或多个光重定向特征。上部波导结构和下部波导结构被配置为促进第一导引模态至第二导引模态的模态耦合，同时实质上避免了将第一导引模态耦合至表面等离极化激元。在第二导引模态下行进的光由光提取波导的光重定向特征重定向以离开OLED器件。

Description

具有使用增强导引模态耦合的改善的光提取的有机发光二 极管
相关申请
本申请在专利法下要求2014年10月24日提交的美国临时申请序列号62/068,190的优先权的权益，该临时申请的内容关于2013年9月20日提交的专利申请序列号14/041,359，该申请的内容是本发明的基础并且全文以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及有机发光二极管(OLED)，并且具体地讲，涉及具有使用增强导引模态耦合的改善的光提取的OLED。
背景技术
OLED是依赖有机材料(膜)在经受来自布置在有机材料的任一侧上的电极的电流时的电致发光的发光二极管类型。因为OLED具有优异发光特性，对于作为从智能电话到大型户外用显示器的多种显示应用的光源来说，它们是有吸引力的。
就像其他类型LED那样，OLED一直面临的挑战是优化光提取。因此，已提出了多种OLED配置，包括'359申请中描述的那些，从而提高光提取效率并且增强OLED的其他性能参数。
然而，一直需要不断改善从OLED的光提取以进一步增强它们性能。
发明内容
本公开的一个方面为一种具有增强的光提取的OLED器件，包括：上部波导结构，所述上部波导结构支持第一导引模态并且包括阴极、具有下表面的阳极、以及有机发光半导体材料，有机发光半导体材料插置在阴极与阳极之间；下部波导结构，所述下部波导结构介接上部波导结构并且支持第二导引模态，第二导引模态实质上匹配于第一导引模态，下部波导结构包括具有上表面的基板、分布在基板的上表面上方的光提取波导、以及分布在光提取波导与基板的上表面上方的光提取基质；其中光提取基质包括粗糙上表面，粗糙上表面介接阳极的下表面，并且促进上部波导结构的第一导引模态至下部波导结构的第二导引模态的模态耦合，同时实质上避免了将第一导引模态耦合至表面等离极化激元；以及其中在下部波导结构的光提取波导中作为第二导引模态行进的光由下部波导结构的光重定向特征重定向以离开基板的下表面。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中光提取波导包括离散波导元件。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中第一导引模态中承载的光的不大于50％被耦合至表面等离极化激元(surface plasmon polariton)。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中粗糙上表面具有周期分量，周期分量具有峰谷振幅A和周期P，其中0.5μm≤P≤2μm，并且其中20nm≤A≤60nm。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中粗糙上表面具有随机分量，随机分量是由方均根(RMS)表面粗糙度σ33限定，其中5nm≤σ33≤25nm。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中光提取波导是由附聚纳米粒子涂层形成。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中附聚纳米粒子涂层包括以下至少一者：金红石型二氧化钛、锐钛矿、氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化锡、氧化铈、氧化锌、以及这些与二氧化硅的混合物。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中光提取波导包括连续波导元件，连续波导元件具有光重定向特征。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中光提取波导包括呈表面粗糙度和内部空隙的形式的光重定向特征。
本公开的另一方面为一种具有增强的光提取的OLED器件。OLED器件包括：上部波导结构，上部波导结构具有有机层并且被配置为支持第一导引模态；以及下部波导结构，下部波导结构具有光提取波导，光提取波导被配置为支持第二导引模态，第二导引模态实质上匹配于第一导引模态，其中光提取波导介接光提取基质，光提取基质被配置为促进第一导引模态至第二导引模态的模态耦合，同时实质上避免了将第一导引模态耦合至表面等离极化激元；并且其中光提取波导包括光重定向特征，光重定向特征重定向在光提取波导中作为第二导引模态行进的光以使其离开下部波导结构。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中光提取波导包括离散波导元件。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中光提取波导是由附聚纳米粒子涂层形成。
本公开的另一方面为上述OLED器件，其中附聚纳米粒子涂层包括以下至少一者：二氧化钛、金红石、锐钛矿、氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化锡、氧化铈、氧化锌、以及这些与二氧化硅的混合物。
本公开的另一方面为一种以增强的方式从有机发光二极管(OLED)器件提取光的方法。方法包括：在上部波导结构的第一导引模态中导引由有机材料层发射的光，上部波导结构由插置在阳极与阴极之间的有机材料层所形成；将第一导引模态中的光光学地耦合至下部波导结构的第二导引模态中行进的光，下部波导结构具有下表面并且包括光提取波导，光提取波导具有变化厚度并且介接光提取基质，光提取基质具有第一粗糙表面，第一粗糙表面与上部波导的阳极介接，其中粗糙表面被配置为增强在第一导引模态中的光至在光提取波导内在第二导引模态中行进的光的耦合，同时实质上避免了将第一导引模态耦合至表面等离极化激元；以及重定向在光提取波导中行进的光以使其离开下部波导结构的下表面。
本公开的另一方面为上述方法，其中在第二导引模态中在光提取波导中行进的光的重定向通过从一或多个光重定向特征散射而引起。
本公开的另一方面为上述方法，其中一或多个光重定向特征包括光提取波导的主体内的空隙和光提取波导的粗糙表面。
本公开的另一方面为上述方法，其中光提取波导包括离散波导元件。
本公开的另一方面为上述方法，其中第一导引模态的光的不大于50％被耦合至表面等离极化激元，表面等离极化激元支撑在光提取基质的粗糙表面与阳极之间的界面处。
本公开的另一方面为上述方法，其中粗糙上表面具有周期分量和随机分量，其中周期分量具有峰谷振幅A和周期P，其中0.5μm≤P≤2μm，并且20nm≤A≤60nm，且其中随机分量是由方均根(RMS)表面粗糙度σ33限定，其中5nm≤σ33≤25nm。
本公开的另一方面为上述方法，其中光提取波导是由附聚纳米粒子涂层形成，附聚纳米粒子涂层包括以下至少一者：金红石型二氧化钛、锐钛矿、氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化锡、氧化铈、氧化锌、以及这些与二氧化硅的混合物。
附图简述
当结合以下附图阅读时，可最佳地理解以下对本公开的具体实施方式的详细描述，其中类似结构利用类似附图标记指示。
图1A为根据本公开的实施方式的示例OLED器件的层状结构的横截面图。
图1B为根据图1的OLED器件的中心部分的近距横截面图，示出示例光提取波导与光提取基质；
图2A类似于图1A，并且示出其中光提取波导包括离散波导元件的示例实施方式；
图2B类似于图1B，并且示出光提取基质内的光提取波导的波导元件；
图3为折射系数n对x(μm)的曲线图，示出图1的示例OLED器件的示例折射系数分布；
图4A为类似于图1B的近距视图，但是将光提取波导示出为由具有变化厚度的附聚纳米粒子涂层限定，并且将光提取基质的上表面示出为包括达表面粗糙度的周期分量；
图4B类似于图2B和图4A，并且将光提取波导示出为具有形成为附聚纳米粒子涂层的离散波导元件；
图5A为光提取基质的上表面的示意性近距图，示出粗糙上表面具有其周期分量和随机分量；
图5B为示出光提取基质的上表面的表面粗糙度如何具有相加在一起的周期分量和随机分量的示意图；及
图6为光提取基质的示例表面的功率频谱密度S(f)(相对单位)对空间频率f(μm-1)的曲线图。
具体实施方式
在以下描述中，关于两个物品(例如，两个表面、两个层、两个结构等等)A和B是介接的或A“介接”B而使用的术语“介接的”和“介接”表示物品A和B被设置成紧邻彼此或以其他方式被布置为彼此接触。
图1为根据本公开的实施方式的示例OLED 8的横截面图。图2为OLED结构的中心部分的近距横截面图。OLED 8包括二极管上结构10与光提取底结构20。二极管上结构10包括阳极12、阴极14、以及有机发光半导体材料层(“有机层”)16，有机层16插置在阳极12与阴极14之间。阳极12、阴极14、以及有机层16限定上部波导结构15，上部波导结构15具有由阳极12的下表面限定的下表面18。上部波导结构15具有厚度D15，在示例中，厚度D15为D15≤1.0μm，而另一示例中，则是0.1μm≤D15≤0.6μm。
在示例实施方式中，上部波导结构15的阳极12由透明导电氧化物制成，例如铟氧化锡(ITO)，透明导电氧化物对有机层16发射的可见波长光为透明的。如上指出，阳极12的下表面18提供与光提取底结构的光提取基质的上表面的合适界面，如下所述。阴极14可包括任何导电材料，导电材料具有适当的功函数来匹配于有机层16的发光材料。例如，阴极14可以包括Ag、Au、Al、SM、Tm、Yb或双金属材料，例如Ca:Al、Eu:Yb、或Tm:Yb。阴极14的厚度范围可为约70至400nm、或约70至300nm、或约70至200nm。
在一些情况下，当阴极14具有的厚度低于70nm时，OLED器件8可变成双向的，因为从有机层16发射的光可通过阴极以及通过阳极12而逸出。这在存在额外元件用来收取从阴极离开的光的某些状况下是有利的。因此，OLED器件8的一些实施方式可以包括阴极14，阴极具有的厚度为约10nm至约70nm、小于约70nm、或者使得从OLED发射的光60的多于1％被发射通过阴极的厚度。
光提取底结构20包括基板22以及光提取基质30，基板22具有上表面23、底表面或下表面25、以及形成在基板的上表面上的光提取波导24，并且光提取基质30介接光提取波导(例如，被分布在光提取波导上方)。光提取基质30具有上表面32，上表面32介接上部波导结构15的下表面18。在示例中，基板22可以包括化学强化玻璃、离子交换玻璃、未强化玻璃或无碱玻璃。基板22、光提取基质30和光提取波导24限定下部波导结构27，下部波导结构27包括一或多个光重定向特征，如以下解释的。
在示例中，光提取波导24具有主体24b与上表面24s。在示例中，主体24b包括空隙24v，并且上表面24s具有RMS表面粗糙度σ24。在图1B中最佳示出的示例中，主体24b的厚度THb改变，使得上表面24s也随在z方向上的位置而在x方向上改变。上表面24s的平均x位置被指示为<24s>并且称为平均上表面。在示例中，上表面24s具有表面高度，其由相对于基板上表面23测量的高度函数h24(z)限定。另外在图1B中可见，光提取基质30具有变化表面32，其中平均表面被指示为<32>。
光提取波导24的平均表面<24s>与上部波导结构15的下表面18在x方向上分隔的距离被指示为DX，DX在示例中小于1μm。
OLED 8可任选地包括在二极管上结构10顶上的封装层40。
图1A示出从OLED结构8穿过基板22提取的光60，其中提取的光60源自于主体24b内并且来自光提取波导24的表面24s，如以下解释的。在实践中，光60在相对广的角度范围上离开基板22。
在示例中，光提取波导24被布置为足够靠近上部波导结构15(即，距离DX为足够小)，并且被配置为具有实质上相同的模态结构，使得在上部波导结构中行进的光可以光学地耦合至光提取波导。这样的光耦合跨耦合长度LC而发生。在示例中，光提取波导24具有与上部波导结构15实质上类似的有效折射系数和尺寸，以便确保上部波导结构15和下部波导结构27支持类型实质上相同的模态(即，具有实质上相同的模态结构)。用于光提取的耦合波导的示例公开在USP 7,432,649中，所述专利以引用的方式并入本文。
在另一示例中，下部波导结构27的模态体积比上部波导结构15支持明显更多的模态。这确保了下部波导结构27中支持的模态将匹配于上部波导结构15中支持的模态，因为下部波导结构的尺寸或厚度因表面粗糙度而改变。一般来说，平板波导中的模态数量N近似地给出为N＝(πd/λ)(n2 2-n1 2)1/2，其中d为平板波导的芯的厚度，并且n2和n1分别为芯和包覆层的折射系数。因此，在下部波导结构27中的模态数量的增加与光提取层24的厚度THb成比例，这更好地确保上部波导结构15与下部波导结构27之间的模态匹配。在示例中，光提取层24的厚度THb标称地为0.5微米，在另一示例中，THb≤1.5μm，并且在另一示例中，THb≤3μm，而另一示例中，THb≤5μm。在示例中，以上厚度THb为光提取波导24的相对于平均表面<24s>测量的平均厚度。
图2A类似于图1A，并且示出其中光提取波导24包括多个离散的光提取波导元件(“WG元件”)24E的示例实施方式。光提取基质30在这个实施方式中也被称为“平面化层”，因为光提取基质30分布在离散WG元件24E以及基板的上表面23上方，并且填充在WG元件之间的间隙。
每个WG元件24E具有终止点(或端)24A和24B。每个WG元件24E具有长度LT，长度LT由终止点24A与24B之间的距离限定。在一些情况下，WG元件24E在光提取基质30中占据的空间总量为约35％至约65％。相邻WG元件24E的终止点24A和24B限定具有长度LG(“间隙长度”)的间隙35，间隙35被填充有光提取基质30的材料并且限定光提取位置，如以下解释的。
在DX为约0.4μm的示例中，耦合长度LC为约10μm或更小，并且WG元件24E的长度LT为约10μm或更大。在DX为约0.3μm的示例中，耦合长度LC为约5μm或更小，并且WG元件24E的长度LT为约5μm或更大。在示例中，DX被选择为足够薄的，使得大部分或实质上全部的WG元件24E都会具有长度LT≤10μm。
为了最大光提取效率，需要满足条件LT>LC。也注意到，耦合长度LC为模态相关的。上部波导结构15的导引模态50的较高阶模态跨比较低阶模导显着更短的长度耦合至下部波导结构27。这是因为相较较低阶模态来说，导引模态50的较高阶模态的渐逝场(evanescent field)呈指数地延伸更远而进入到光提取层30并进入到光提取波导24(或波导元件24E)。
这个条件在数学上可表示为比率Rβ＝exp(-βh·d)/exp(-βl·d)，其中βh和βl分别为导引模态50的较高阶模态与较低阶模态的传播常数。此比率Rβ可为非常大的数值。对于最高阶模态和最低阶模态，比率Rβ为若干量级。因此，如果导引模态50中的最高阶模态在10微米的耦合长度LC内耦合至下部波导结构27中，那么最低阶模态在以毫米计长度(并且在一些情况下为厘米或更大的长度)内耦合。光提取层30的表面32上的粗糙度允许将上部波导结构15的导引模态50中的较低阶模态耦合至下部波导结构27的较高阶模态54。
在示例中，大部分或实质上全部的WG元件24E具有长度LT≤10μm，并且在示例中，LT≤5μm。另外，在示例中，具有WG元件24E的下部波导结构27可以具有与上部波导结构15的对应层实质上类似的折射系数(或有效系数)和实质上类似的尺寸，以便确保上部波导结构15和下部波导结构27支持类型实质上相同的模态(即，具有实质上相同的模态结构)。如上指出，下部波导结构27也可支持数量比上部波导结构15的模态50显着更多的模态54。
在示例中，WG元件24E为伪随机分布的，即，具有变化的长度LT和间隙间距LG。在示例中，伪随机分布为经由制造工艺控制至足以确保WG元件24E的实质上集中于长度LT与间距LG的期望值的实质上均匀的分布的随机分布。
图3为OLED器件8的作为距离x的函数的折射系数n的曲线图，并且示出OLED器件的示例折射系数分布。在示例实施方式中，通过确保光提取基质30的折射系数n(P)小于上部波导结构15的有效折射系数neff(O)和WG元件24的有效折射系数neff(WG)至少约0.2，就会实现增强的光提取。
在另一示例中，相应有效系数neff(O)与neff(WG)相差约0.2或更小。另外，参见图1A，上部波导结构15的厚度D15与光提取基质30的厚度D30(参见图2B)相差小于约1.5μm，或者在一些实施方式中，1.0μm。如上指出，上部波导结构15通常是与光提取波导24分开距离DX<1.5μm，或者在一些实施方式中，DX<1.0μm，或者在一些实施方式中，DX<0.5μm。
在示例中，上部波导结构15与下部波导结构27被配置为使得在操作中，源自于二极管上结构10的有机层16中的光在导引模态50(例如，5或6个导引模态，包括TE与TM模态)中在z方向上、在上部波导结构中行进，为了便于示出，导引模态50被示出为单个导引模态。导引模态50的一部分(即，渐逝尾部)延伸至光提取基质30中，并且延伸至位于光提取基质30中的光提取波导24中。
如上指出，在示例中，下部波导结构27的光提取波导24(在离散波导实施方式中，包括WG元件24E)的折射系数和宽度实质上匹配于上部波导结构15，使得下部波导结构的导引模态54实质上匹配于上部波导结构的导引模态50。这可促进上部波导结构15与下部波导结构27之间的有效模态耦合。因此，在导引模态50中的一些光被耦合至光提取底结构20的光提取波导24并且作为导引模态54而行进于其中，为了便于示出，导引模态54被示出为单个导引模态。导引模态50的较高阶模态的渐逝尾部延伸得更远而离开上部波导结构15，并且因此相较低阶模态的渐逝尾部来说，与下部波导结构27的光提取基质30更强烈地相互作用，低阶模态的渐逝尾部较紧密地结合到上部波导结构15的有机层16上。
上部波导结构15与下部波导结构27之间的模态耦合跨前述耦合长度LC而发生，耦合长度LC被限定为光学模态从一个波导耦合至另一波导所需的传播距离。耦合长度LC由波导几何形状、波导系数、波长以及由耦合的波导模态的有效折射系数之间的不匹配率确定，如本领域已知的。经由模态耦合从OLED器件8提取光60优选地发生在比等离吸收的吸收长度LPA的长度尺度短(即，LC<LPA)的长度范围。
光提取波导24中行进的导引模态54与表面24s上的粗糙度相互作用，并且也从主体24b内的空隙24v体积散射。因此，一些提取的光60源自从光提取波导24重定向的光，其中表面24s上的粗糙度与主体24b内的空隙24v构成下部波导结构27的光重定向特征的示例。在光提取波导24包括离散WG元件24E的情况下，光重定向特征另外包括WG元件24E的终止端24A和24B。因此，光重定向特征包括表面粗糙度与空隙(或“内部粗糙度”)、折射系数变化、以及材料界面。光重定向特征也包括了光提取波导24的主体的厚度THb的变化或起伏。这样的起伏或变化会导致行进于其中的导引模态54泄漏。
在示例中，WG元件24E的表面24s的表面粗糙度σ24小至足以使得光提取基质30能够具有0.5μm或更小的厚度D30，从而实现上部波导结构15与下部波导结构27之间的有效模态耦合。
光提取波导的形成
在示例中，光提取波导24(包括WG元件24E)包括附聚涂层，例如由二氧化钛纳米粒子与粘结剂和/或分散剂形成，以便限定金红石型二氧化钛附聚纳米粒子涂层。其他材料包括二氧化钛、氧化锆、氧化铝、氧化锡、氧化锌、氧化铈、以及这些材料与二氧化硅的混合物，以及这些材料的组合。粘结剂可为表面活性剂(通常<1wt％或<0.05wt％)，并且可为非离子的且非反应性的，而且不应影响无机氧化物纳米粒子的电荷。也可选择粘结剂来向纳米粒子溶液提供良好分散剂特性，并且会使水性纳米粒子溶液表面张力降低(在25℃时，dyne/cm)，从而提供有均匀性的可浸涂的溶液。例如，非离子性表面活性剂选自类似于TergitolTM的表面活性剂，TergitolTM是可从陶氏化学公司购得的非离子性表面活性剂。合适的粘结剂也包括了例如类似于Pluronics的表面活性剂，Pluronics是终止于伯羟基的双官能嵌段共聚物表面活性剂，并且可从BASF公司购得。
用于产生WG元件24E的方法包括本领域已知的涂覆方法，它会产生有期望特性的表面，其中WG元件浓度与分散剂浓度可改变，从而提供WG元件必需浓度。此类方法包括(但不限于)浸涂、旋涂、丝网印刷、喷墨涂覆、喷涂、气相或粒子沉积、辊涂或辊对辊处理等等。
形成光提取基质30的材料也可考虑到粘结剂和平滑化/平面化层，并且可具有的折射系数实质上类似于基板22的折射系数。例如，基板22可为玻璃，并且光提取材料可提供为“玻璃上旋涂”。光提取基质30可表征为相对高抗裂性(在固化后低收缩性)，可具有填充纳米级间隙的能力，并且通常可为热稳定的。通常，光提取基质30可为在空气中高达约250至400℃下热稳定的。超过这个温度，光基质材料的表面发生氧化，并且在大于550℃的温度下可能导致破裂。通过示例，光提取基质30可由以下一或多者形成：部分地聚合的聚甲基硅氧烷(例如：玻璃(Honeywell)上T-12、512B、T-11旋涂)、聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、部分地聚合的聚倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷(HardSilTMAM,Gelest Chemicals)、以及聚甲基苯基倍半硅氧烷(HardSilTMAP,Gelest)。
在示例实施方式中，光提取波导24由限定WG元件24E的氧化锆涂层形成。由于一或多个光重定向特征(包括有效折射系数和其变化、厚度THb和其变化、由表面24s的表面粗糙度限定的体积散射和表面散射)，光提取波导24的结构形态能够实现光提取。在示例中，表面24s的RMS表面粗糙度σ24具有范围为0.5μm至5μm的关联长度CL24。在示例中，表面24s的RMS表面粗糙度σ24小于50nm，从而能够使用具有厚度D30<0.5μm(在WG元件24E的情况下)或DX<0.5μm(在光提取波导24连续的情况下)的光提取基质30。
在使用氧化锆附聚的纳米粒子涂层限定光提取波导24的示例中(包括由WG元件24E限定的光提取波导)，如下形成涂层：通过带铸(tape casting)、槽涂或浸涂四方氧化锆纳米粒子(3YSZ，3mol％氧化钇稳定的氧化锆)分散剂粘结剂溶剂配方，并且在<800℃下热处理以移除聚合物粘结剂与分散剂。
这个配方中的四角形氧化锆纳米粒子(3YSZ，3mol％氧化钇稳定的氧化锆)具有约50nm的主要粒子尺寸并由非常小的(例如，20nm)微晶组成。WG元件24E的厚度与表面粗糙度可通过改变分散特性和涂层参数来改变。然后，如下烧除粘结剂：将样品加热至范围为350℃至700℃的温度，并且然后在低于800℃下进行加热而将聚合物移除，从而产生厚度≤0.5μm或≤2μm或≤5μm或≤10μm的多孔氧化锆层，多孔氧化锆层限定光提取波导24。
因此，在示例中，氧化锆沉积在基板22的上表面23上，并且用于形成分散的聚合物分散剂和溶剂通过热循环热移除。这个热步骤利用聚合物的移除在结构中留下空隙，空隙限定间隙35，间隙35被填充有光提取基质30的材料或保持为未填充的。
氧化锆的折射系数为约2.2，这取决于传播光的波长。这个折射系数能够实现上部波导结构15的波导参数与下部波导结构27的波导参数的良好匹配，即，上部波导结构的导引模态50具有与氧化锆光提取波导24实质上相同的导引模态54。氧化锆附聚的光提取波导24的主体24b具有上述空隙24v，空隙24v散射承载在导引模态54中的光。由于这些空隙24v的尺寸小于传播的可见波长光的波长，光以广角散射，这使提取的光60能够有效提取。
光提取基质的表面粗糙度
图4A和图4B为类似于图2A和图2B的近距视图，并且示出光提取波导24具有连续结构的实施方式(图4A)和光提取波导24具有离散WG元件24E的实施方式(图4B)。
图4A的连续光提取波导24与包括WG元件24E的离散光提取波导被示出为由附聚纳米粒子涂层形成，附聚纳米粒子涂层限定粗糙上表面24s。图4A和图4B也示出了光提取基质30的上表面32包括达表面粗糙度33的周期分量。上表面32的平均位置被指示为<32>。
光提取基质30的上表面32处的表面粗糙度33表示强烈地与上部波导结构15支持的导引模态50的较高阶模态相互作用以提供增强的光提取(即，比没有表面粗糙度时获得更多的提取光60)的扰动。表面粗糙度33用来促进上部波导结构15的模态50的较低阶模态至较高阶模态的模态耦合，较高阶模态更容易地从上部波导结构15耦合至下部波导结构27。这可实现从OLED器件8捕集的光的有效的流动或扩散。
如上指出，在示例中，光提取波导24的粗糙上表面24s为足够粗糙的，以致行进在其中的导引模态54发生散射，同时也允许了光提取基质30具有厚度DX或D30<1μm，或甚至是DX或D30<0.5μm。另外，当附聚纳米粒子涂层限定光提取波导24的主体24b时，由附聚纳米粒子涂层限定的前述空隙24v就会引起导引模态54发生前述体积散射，从而导致来自OLED器件8的光60的增强的光提取。
图5A为光提取基质30的上表面32和表面粗糙度33的近距视图。表面粗糙度33具有周期分量33P和随机分量33R，如图5B示意性地示出的。表面粗糙度33可表征为表面高度函数h(z)＝hP(z)+hR(z)，其中hP(z)为周期分量，并且hR(z)为随机分量。周期分量hP(z)由峰谷振幅A和周期P来限定。随机分量可表征为具有随机或分布(例如，高斯)的hR(z)，具有方均根(RMS)表面粗糙度σ33。
在示例中，由周期分量限定的表面粗糙度33的周期P被限定为范围为0.5μm≤P≤2μm。另外，在示例中，振幅A为上部波导结构15的厚度D15的约5％至10％，使得在示例中，振幅A被限定为范围为(0.05)·D15≤A≤(0.1)·D15。在示例中，振幅A的范围为20nm≤A≤60nm，而另一示例中，振幅A的范围为25nm≤A≤50nm。在光提取波导包括WG元件24E的示例中，周期P小于WG元件的长度LT。
如果RMS表面粗糙度σ33太大，导引模态50将会耦合到损失表面等离模态上，并且不会造成增强的光提取。如果RMS表面粗糙度σ33太小，将上部波导结构15的导引模态50耦合至WG元件24E的导引模态54以使光提取增强将会效率低下。在示例中，RMS表面粗糙度σ33的范围为5nm≤σ33≤25nm，而另一示例中，RMS表面粗糙度的范围为7nm≤σ33≤15nm。
用于确定光提取基质30的表面32的期望参数的另一方法为检查上部波导结构15与光提取波导24之间发生的模态耦合，其中表面32位于这两波导结构之间。
两个模态i与j之间的模态耦合Ci,j可良好地利用以下表达近似：
Ci，j＝∫ψiψjδn2(h(z)/a)dz (1)
其中δn2表示光提取基质30与相邻层之间的折射系数差值，并且a为归一化常数。i模态与j模态为正交的，但是表面高度h(z)变化提供相位匹配条件，从而导引的光可以在导引模态间耦合，包括进入高衰减表面等离模态。示例OLED器件8被配置为使得上部波导结构15支持五种导引模态50，以上，由等式(1)中的ψ表示。导引模态50的确切数量是取决于光学波长、上部波导结构15的层12、14与16的厚度、以及它们相应折射系数。
导引模态50的光学传播常数β、以及波函数可用本领域已知的方法计算(参见例如John Wiley&Sons出版的Yeh的“分层介质中的光波(Optical Waves in LayeredMedia)”)。引起此耦合所需的表面频率参数可通过获取i模态与j模态的传播常数β之间的差值Δβ来估计。差值Δβ具有长度倒数单位。
在使用传播常数β时，表面频率f为约0.5至2μm-1。这些表面频率f因此通常为期望的。这些表面频率f中的某些也将引起至表面等离极化激元的耦合。另一方面，使用等式(1)进行计算表明，导致增强的光提取值的导引模态50与54之间的模态耦合以比至表面等离极化激元的耦合高的速率发生。
光吸收表面等离极化激元仅在表面32为粗糙表面时出现。用于至表面等离极化激元的模态耦合的相位匹配条件指出：表面频率f需要大于2μm-1，使得在示例实施方式中，表面32的粗糙表面33的表面频率f小于2μm-1。另一方面，通过模拟和实验而已经确定，小于0.5μm-1的表面频率f也会导致至表面等离极化激元的耦合，但是极化激元能量较低，并且因此不会承载大量的光。
图6为针对光提取基质30的示例性粗糙表面32，功率频谱密度S(f)(相对单位)对空间频率f(μm-1)的曲线图。该曲线图包括：基于表面的2μm扫描的曲线c1中的实际数据，以及对曲线c2中的测量数据的拟合。该曲线图示出低于f＝2μm-1频率的大浓度的空间频率f，超过此频率，就会存在大量至表面等离极化激元的非期望的模态耦合。该曲线图也显示了在f＝1μm-1时的空间频率的最高浓度，这是非常希望的，其中在1μm-1与2μm-1时的空间频率分量的数值之间存在约一个量级的减少，并且在1μm-1与3μm-1之间存在约三个量级的减少。
在示例中，表面32具有表面粗糙度，其中空间频率f的范围为f≤2μm-1或范围为0.5μm-1≤f≤2μm-1，并且RMS表面粗糙度σ33的范围为σ33≤40nm或前述的范围5nm≤σ33≤20nm。因此，在示例实施方式中，表面32具有表面粗糙度，其中该表面的大部分的空间频率满足条件f≤2μm-1或替代地0.5μm-1≤f≤2μm-1，并且在另一示例中，空间频率f的小于2μm-1的部分(例如，百分比)超过90％。
将对本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离随附权利要求书所限定的本公开的精神或范围的情况下，可对如本文所述的本公开的优选实施方式进行各种修改。因此，本公开涵盖了落入随附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。

Claims (19)

1.一种具有增强的光提取的有机发光二极管(OLED)器件，包括：
上部波导结构，所述上部波导结构支持第一导引模态，并且包括阴极、具有下表面的阳极、以及有机发光半导体材料，所述有机发光半导体材料插置在所述阴极与所述阳极之间；
下部波导结构，所述下部波导结构介接所述上部波导结构并且支持第二导引模态，所述第二导引模态实质上匹配于所述第一导引模态，所述下部波导结构包括具有上表面的基板、分布在所述基板的上表面上方的光提取波导、以及分布在所述光提取波导与所述基板的所述上表面上方的光提取基质；
其中所述光提取基质包括粗糙上表面，所述粗糙上表面介接所述阳极的所述下表面，并且促进所述上部波导结构的所述第一导引模态至所述下部波导结构的所述第二导引模态的模态耦合，同时实质上避免了将所述第一导引模态耦合至表面等离极化激元；并且
其中在所述下部波导结构的所述光提取波导中作为第二导引模态行进的光由所述下部波导结构的光重定向特征重定向以离开所述基板的所述下表面，
其中所述光提取基质的折射系数小于所述上部波导结构和所述光提取波导的有效折射系数至少0.2，
其中所述粗糙上表面具有周期分量，所述周期分量具有峰谷振幅A和周期P，其中0.5μm≤P≤2μm，且其中20nm≤A≤60nm。
2.如权利要求1所述的有机发光二极管器件，其中所述光提取波导包括离散波导元件。
3.如权利要求1所述的有机发光二极管器件，其中所述第一导引模态中承载的光的不大于50％耦合到所述表面等离极化激元中。
4.如权利要求3所述的有机发光二极管器件，其中所述粗糙上表面具有随机分量，所述随机分量是由方均根(RMS)表面粗糙度σ33限定，其中5nm≤σ33≤25nm。
5.如权利要求1所述的有机发光二极管器件，其中所述光提取波导是由附聚纳米粒子涂层形成。
6.如权利要求5所述的有机发光二极管器件，其中所述附聚纳米粒子涂层包括以下至少一者：金红石型二氧化钛、锐钛矿、氧化锆、3mol％氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化锡、氧化铈、氧化锌、以及这些与二氧化硅的混合物。
7.如权利要求1所述的有机发光二极管器件，其中所述光提取波导包括连续波导元件，所述连续波导元件具有光重定向特征。
8.如权利要求1所述的有机发光二极管器件，其中所述光提取波导包括呈表面粗糙度和内部空隙的形式的光重定向特征。
9.一种具有增强的光提取的有机发光二极管(OLED)器件，包括：
上部波导结构，所述上部波导结构具有有机层并且被配置为支持第一导引模态；以及
下部波导结构，所述下部波导结构具有光提取波导，被配置为支持第二导引模态，所述第二导引模态实质上匹配于所述第一导引模态，其中所述光提取波导介接光提取基质，所述光提取基质被配置为促进所述第一导引模态至所述第二导引模态的模态耦合，同时实质上避免了将所述第一导引模态耦合至表面等离极化激元，其中所述光提取基质包括粗糙上表面，所述粗糙上表面介接所述上部波导结构的下表面，其中所述粗糙上表面具有周期分量，所述周期分量具有峰谷振幅A和周期P，其中0.5μm≤P≤2μm，且其中20nm≤A≤60nm；并且
其中所述光提取波导包括光重定向特征，所述光重定向特征重定向在所述光提取波导中作为所述第二导引模态行进的光以使其离开所述下部波导结构，
其中所述光提取基质的折射系数小于所述上部波导结构和所述光提取波导的有效折射系数至少0.2。
10.如权利要求9所述的有机发光二极管器件，其中所述光提取波导包括离散波导元件。
11.如权利要求9所述的有机发光二极管器件，其中所述光提取波导是由附聚纳米粒子涂层形成。
12.如权利要求11所述的有机发光二极管器件，其中所述附聚纳米粒子涂层包括以下至少一者：金红石型二氧化钛、锐钛矿、氧化锆、3mol％氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化锡、氧化铈、氧化锌、以及这些与二氧化硅的混合物。
13.一种以增强的方式从有机发光二极管(OLED)器件提取光的方法，包括：
在上部波导结构的第一导引模态中导引由有机材料层发射的光，所述上部波导结构由插置在阳极与阴极之间的所述有机材料层形成；
将所述第一导引模态中的所述光光学地耦合至在下部波导结构的第二导引模态中行进的光，所述下部波导结构具有下表面并且包括光提取波导，所述光提取波导具有变化厚度并且介接光提取基质，所述光提取基质具有一第一粗糙表面，所述第一粗糙表面与所述上部波导的所述阳极介接，其中所述粗糙表面被配置为增强在所述第一导引模态中的所述光至在所述光提取波导内在所述第二导引模态中行进的所述光的耦合，同时实质上避免了将所述第一导引模态耦合至表面等离极化激元；以及
重定向在所述光提取波导中行进的所述光以使其离开所述下部波导结构的所述下表面，
其中所述光提取基质的折射系数小于所述上部波导结构和所述光提取波导的有效折射系数至少0.2，
其中所述粗糙上表面具有周期分量，所述周期分量具有峰谷振幅A和周期P，其中0.5μm≤P≤2μm，且20nm≤A≤60nm。
14.如权利要求13所述的方法，其中在所述第二导引模态中在所述光提取波导中进行的所述光的所述重定向通过从一或多个光重定向特征散射而引起。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述一或多个光重定向特征包括所述光提取波导的主体内的空隙和所述光提取波导的粗糙表面。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述光提取波导包括离散波导元件。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述第一导引模态的所述光的不大于50％被耦合至所述表面等离极化激元，所述表面等离极化激元系支撑在所述光提取基质的所述粗糙表面与所述阳极之间的界面处。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述粗糙上表面具有随机分量，其中所述随机分量是由方均根(RMS)表面粗糙度σ33限定，其中5nm≤σ33≤25nm。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述光提取波导是由附聚纳米粒子涂层形成，所述附聚纳米粒子涂层包括以下至少一者：金红石型二氧化钛、锐钛矿、氧化锆、3mol％氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化锡、氧化铈、氧化锌、以及这些与二氧化硅的混合物。
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